Пояснительная записка. Пояснительная записка

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «РТ и РЭС»

Пояснительная записка

к курсовому проекту по курсу:

«Устройства генерации и формирования сигналов»

на тему

“ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ”

Выполнил: ст. гр. 10ЕР1

Кожичкин Е.Ю.

Проверил: Маркелов М.К.

Пенза 2014

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

А. ФЕДЮКОВ, А. КИСТЕНЕВ, Е. КОЖИЧКИН.

Введение.

Лифтер или ионолёт — лёгкая летающая модель, в которой используется эффект Бифельда — Брауна для создания подъёмной силы. Обычно конструкция состоит из лёгкого каркаса из бальзы или пенопласта, тонкого металлического провода, ионизирующего молекулы окружающего воздуха, и широкого второго электрода, представляющего собой эквипотенциальную поверхность, например, тонкой металлической фольги. Возможны различные варианты конструкций, наибольшее распространение получили варианты в виде равностороннего треугольника или шестигранника из шести таких треугольников. Будучи подключенной к источнику высокого напряжения модель при соблюдении определённых условий может летать. Эмпирически считают что напряжение, при котором достигается наибольшая эффективность тяги составляет 1 кВ на каждый миллиметр воздушного зазора между электродами. Сила действует в направлении тонкого электрода независимо от полярности приложенного напряжения, при приложении разной полярности некоторые экспериментаторы отмечают различие в силе тяги, при начале электрического пробоя и появлении шнуровых разрядов подъёмная сила исчезает.

Эффект Бифельда-Брауна — электрическое явление возникновения ионного ветра, который передаёт свой импульс окружающим нейтральным частицам. Впервые был открыт Паулем Альфредом Бифельдом (Германия) и Томасом Таусендом Брауном (США).

Физиком Таунсендом Брауном в 1921 году было сделано открытие, что система из тонкого или острого и широкого плоского электродов (он использовал рентгеновскую трубку) под действием высокого напряжения пытается сдвинуться в направлении тонкого электрода.

Рис.1.

Явление основано на коронном разряде в сильных электрических полях, что приводит к ионизации атомов воздуха вблизи острых и резких граней. Обычно используется пара из двух электродов, один из которых тонкий или острый, вблизи которого напряженность электрического поля максимальна и может достигать значений, вызывающих ионизацию воздуха, и более широкий с плавными гранями (в т. н. лифтерах обычно используется тонкая проволока и металлическая фольга, соответственно). Явление происходит при напряжении между электродами в десятки киловольт, вплоть до мегавольт. Наибольшая эффективность явления достигается при напряжениях порядка 1 кВ на 1 мм воздушного зазора между электродами, то есть при напряженностях электрического поля чуть ниже, чем начало электрического пробоя воздушного зазора. Если между электродами возникает пробой, обычно в виде шнурового разряда, эффект пропадает (т. к. разряд сам превращает газ в ионы и напряжение на электродах равно падению напряжения на разряде). Вблизи тонкого электрода возникает ионизация атомов воздуха (кислорода в случае отрицательного напряжения на этом контакте, азота в случае положительного), полученные ионы начинают двигаться к широкому электроду, сталкиваясь с молекулами окружающего воздуха и отдавая им часть своей кинетической энергии превращая молекулы либо в ион либо передавая им дополнительное ускорение (ударная ионизация). Создаётся поток воздуха от тонкого электрода к широкому, которого оказывается достаточно, чтобы поднять в воздух лёгкую летающую модель, которую называют лифтером или ионолётом, что нередко используется для эффектных научных демонстраций. Возникающая сила тяги

, где I — ток между электродами, d — ширина диэлектрического зазора и k — подвижность ионов данного типа в данной среде (порядка 2·10 в воздухе при нормальных условиях)

Примером конструкции ионолета может служить приведенная на рисунке:

Рис. 2.

Нижний (отрицательный) электрод – рамка из легкого дерева – бальзы, оклеенная алюминиевой фольгой. Верхний (положительный) электрод изготовлен из медной проволоки, натянутой между стойками из бальзы, приклеенными к нижнему электроду. Напряжение питания подводится к электродам ионолета при помощи легких проволок.

Для экспериментов с ионолетами и прочими высоковольтными приборами был разработан и изготовлен лабораторный источник высокого напряжения. Для публичной демонстрации ионолетов был разработан и изготовлен демонстрационный источник высокого напряжения. Далее приводится описание этих источников.

1. Лабораторный источник высокого напряжения.

Этот источник предназначен для проведения экспериментов с ионными двигателями в лабораторных условиях.

Его технические характеристики:

Входное напряжение 220V±10% 50Hz

Выходное напряжение – регулируемое от 10kV до 40kV

Ток нагрузки, не более 1mA

Источник имеет измерительные приборы для измерения напряжения и тока нагрузки. Источник предназначен для эксплуатации в сухих отапливаемых помещениях.

Схема показана на рис.. Она состоит из следующих частей:

• преобразователя напряжения c 12V в высокое напряжение
• сетевого источника питания

Сетевой источник из напряжения сети вырабатывает 12V постоянного тока. Затем из 12V преобразователь вырабатывает высокое напряжение. Такая конструкция позволяет безопасно настраивать преобразователь т. к. сетевой источник питания обеспечивает гальваническую развязку с сетью.

Рис. 3.

Рассмотрим работу преобразователя с 12V в высокое напряжение

Высокое напряжение получается при помощи обратноходового преобразователя. На затвор полевого транзистора с изолированным затвором VT1 поступают импульсы напряжения по форме близкие к прямоугольным. Под действием этих импульсов VT1 периодически открывается и закрывается. В моменты времени когда транзистор открыт, его ток стока протекает через первичную обмотку трансформатора T1 и в нем происходит накопление энергии. Когда транзистор закрывается, на обмотках трансформатора возникает выброс высокого напряжения. Амплитуда импульсов на вторичной обмотке трансформатора достигает нескольких тысяч Вольт.

Импульсное напряжение со вторичной обмотки трансформатора T1 поступает на выпрямитель с умножением напряжения A2 типа УН-9/27-1.3. Схема его включения несколько отличается от типовой (умножитель разработан для использования в телевизорах) – в нашей схеме использованы все звенья умножителя, что позволяет получить на выходе постоянные напряжения более 40kV.

Для измерения напряжения на выходе источника используется киловольтметр. Он состоит из магнитоэлектрического индикатора P2 и добавочных резисторов R4A-R4E. Использованы специальные высоковольтные резисторы типа КЭВ-1. Для уменьшения погрешностей из-за утечек токов высокого напряжения эти резисторы залиты парафином в пластмассовой трубке.

Для измерения тока нагрузки используется миллиамперметр, состоящий из магнитоэлектрического индикатора P1 с шунтом R2 R3. Диоды VD3 VD4 служат для защиты индикатора от перегрузок.

Импульсы на затвор транзистора VT1 подаются с генератора на микросхеме D1 типа NE555N (КР1006ВИ1). Микросхема включает в себя делитель напряжения Ra Rb Rc, компараторы 1 и 2, триггер 3 и транзистор VT. Генератор работает следующим образом. Поскольку сопротивления Ra Rb Rc равны, на отводах делителя получаются напряжения, равные 1/3 и 2/3 напряжения питания, т. е. при напряжении питания 12V на отводах получается 4V и 8V. Конденсаторы C4A и С4B – времязадающие. Они заряжаются через переменный резистор R1, резистор R4 и диод VD1, напряжение на них плавно возрастает. Когда напряжение на конденсаторах C4A и С4B превысит напряжение на верхнем отводе делителя, т. е. 2/3 напряжения питания – срабатывает компаратор 1, он выключает триггер 3, транзистор VT открывается и происходит быстрый разряд конденсаторов C4A и С4B через резистор R5. Разряд происходит до тех пор, пока напряжение на конденсаторах C4A и С4B не упадет ниже 1/3 напряжения питания, тогда срабатывает компаратор 2, он включает триггер 3, транзистор VT закрывается и снова начинается заряд конденсаторов C4A и С4B.

Рассмотрим сетевой источник питания. Он собран на модуле A3 SVPS1M0.

Сетевой источник состоит из индикатора сети, фильтра сети, выпрямителя сети VD1-VD4, пускового устройства, генератора на VT1 VT2, импульсного трансформатора T2, вторичного выпрямителя VD10-VD13 и выходного фильтра. Напряжение сети выпрямляется, от выпрямленного напряжения сети работает генератор, напряжение с генератора понижается импульсным трансформатором, выпрямляется и подается на нагрузку.

Напряжение сети выпрямляется мостовым выпрямителем VD1-VD4. Конденсатор C7 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Фильтр C6 L1 L2 C5 подавляет помехи, возникающие при работе преобразователя чтобы они не поступали в сеть. Терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления R13 уменьшает бросок тока при включении в сеть: до включения он не нагрет, имеет высокое сопротивление и ограничивает ток, поступающий из сети. По мере прогрева сопротивление терморезистора снижается и после прогрева он практически не влияет на работу источника питания. В качестве индикатора включения в сеть использован светодиод. Чтобы индикатор гас сразу после выключения из сети, он питается от мостового выпрямителя VD14-VD17 с гасящим резистором R6.

Генератор собран на транзисторах VT1 VT2. Колебания в нем поддерживаются за счет того, что напряжение со вторичной обмотки трансформатора T2 подается на трансформатор обратной связи T1, а с него – на базо-эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2. Обмотки, к которым подключены базо-эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 имеют противоположное направление, т. е. например к базе VT1 подключено начало обмотки, а к базе VT2 – конец обмотки, поэтому транзисторы открываются поочередно. Резисторы R4 и R5 ограничивают базовые токи транзисторов. При помощи резистора R3* подобран такой ток обратной связи, чтобы генератор устойчиво работал при нормальной нагрузке, но генерация срывалась при перегрузках.

Для того чтобы генератор начал работать в источнике питания имеется пусковое устройство на динисторе VS1. После включения начинается медленный заряд конеденсатора C3 через резистор R1. Когда напряжение на C3 достигает напряжения пробоя динистора (около 30V), динистор пробивается и импульс тока подается на базу VT2 и связанную с ней обмотку трансформатора обратной связи. Этот импульс вызывает начало генерации. Когда генератор начинает работать, пусковое устройство не действует т. к. конденсатор C3 разряжается через цепь R2 VD9 в моменты времени когда открыт VT2.

Пусковое устройство при нормальной работе нужно только для запуска после включения в сеть. Если на выходе источника питания возникает перегрузка или короткое замыкание, напряжение на вторичной обмотке T2 практически отсутствует, обратная связь не действует и после импульса, который вырабатывает пусковое устройство генерация не возникает. Тогда пусковое устройство начинает периодически вырабатывать импульсы до тех пор пока неисправность не будет устранена и не начнется генерация.

Напряжение вторичной обмотки импульсного трансформатора T2 выпрямляется мостовым выпрямителем VD10-VD13. Конденсатор C8 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Генератор является источником сильных помех, которые могут проникать в нагрузку. Чтобы подавить эти помехи, на выходе источника питания установлен фильтр L3 C4 C9.

Рассмотрим конструкцию лабораторного источника высокого напряжения. Он выполнен в плоском пластмассовом корпусе (см. рис. 4) с крышкой из оргстекла, что позволяет наблюдать показания измерительных приборов и демонстрировать учащимся устройсво источника.

Рис. 4. Общий вид лабораторного источника высокого напряжения

При разработке конструкции источника пришлось уделить особое внимание следующим проблемам:

• пробоям между цепями высокого напряжения и заземленными деталями
• ионизации воздуха, утечкам токов высокого напряжения, наводкам на измерительные приборы

Конструкция высоковольтной части источника может оказать решающее влияние на его работу, поэтому рассмотрим ее подробнее. Вид высоковольтной части разработанного преобразователя показан на рис. 5. Высоковольтная часть должна быть размещена по возможности дальше от транзисторов и микросхем, чувствительных к разрядам статического электричества. Практика показывает что в преобразователях с выходным напряжением порядка десятков тысяч Вольт пробои возможны между точками, находящимися на расстоянии 50mm и более. Пробой в цепи переменного напряжения вторичной обмотки импульсного трансформатора имеет вид длительно горящей дуги, пробои в цепи выпрямленного напряжения на выходе умножителя имеют вид коротких и мощных “ хлопков”. С неизолированных деталей, находящихся под высоким напряженим возможны утечки типа коронных разрядов (можно обнаружить в темноте по слабому голубому свечению) или потока ионов. Детали, находящиеся рядом с выходом преобразователя могут электроизовываться. Электризация стекла может вызывать влиять на стрелки измерительных приборов. В нашем случае оказалось что при работе прибора происходила электризация деталей измеритеьного прибора киловольтметра и его стрелка хаотически отклонялась. Избавиться от электризации и добиться нормальной работы измерительных приборов удалось благодаря:

• установке заземленного экрана между высоковольтной частью и измерительными приборами
• экранирования измерительного прибора киловольтметра при помощи металлиеской сетки. Прибор лучше экранировать полностью, в т. ч. Со стороны шкалы.

Добавочные резисторы киловольтметра помещены в пластмассовый канал (отрезок кабель-канала) и залиты парафином для уменьшения утечек. Выводы резисторов припаяны к болтам, ввернутым в канал рядом с его концами. Один из этих болтов используется как клемма высокого напряжения. Установка пластмассового изолятора на выходном зажиме преобразователя помогла избавиться от пробоев. С него на расположенные поблизости металлические детали. При монтаже умножителя необходимо убедиться, что какие-либо детали или провода не окажутся вблизи выводов умножителя.

Рис. 5. Высоковольтная часть лабораторного источника и измерительные приборы

В приборе применены измерительные приборы тима М494, их шкалы показаны на рисунке 6.

Рис. 6. Шкалы измерительных приборов лабораторного источника высокого напряжения

Рис. 7. Модуль преобразователя напряжения VC2M0

Большинство элементов высоковольтного преобразователя смонтированы на модуле VC2M0. На плате предусмотрено место также для шунтовых резисторов и защитных диодов миллиамперметра В данной конструкции они были смонтированы на выводах миллиамперметра просто для удобства налаживания.

Рис. 8. Модуль импульсного источника питания SVPS1M0.

Модуль импульсного источника питания расположен как можно дальше от деталей высоковольтного преобразователя. Устройство обязательно требует включения в сеть с заземляющим проводом при помощи вилки “Schuko” CEE 7/7. Это связано с тем, что при работе высоковольного преобразователя на источнике питания может скапливаться заряд статического электричества и вызывать пробои в сети с тяжелыми последствиями. Вероятно, причиной пробоев между проводами сети является то, что пробой статического электричества вызывает зажигание дуги между проводами сети. При включении в современные розетки с заземляющим контактом данная проблема не наблюдалась.

2. Демонстрационный источник высокого напряжения.

Рис. 9. Общий вид демонстрационного источника высокого напряжения с установленным на нем ионолетом

Рис. 10. Один из ионолетов, демонстрируемых с источником

Рис. 11.

Демонстрационный источник высокого напряжения собран по схеме, подобной лабораторному источнику и отличается:

• отсутствуют измерительные приборы
• сетевой источник питания использован готовый от компьютеров стандарта AT
• на выход 5V источника питания включена лампа 24V от фары. Эта лампа создает небольшую нагрузку для сетевого источника питания, без такой нагрузки на выводах 12V напряжение сильно уменьшается при включении нагрузки
• демонстрационный источник питания снабжен пультом дистанционного управления. В коробке пульта установлен переменный резистор для плавной регулировки напряжения и кнопка для включения высокого напряжения. Кнопка управляет реле, включающим первичную обмотку импульсного трансформатора. Пульт дистанционного управления подключен при помощи экранированного кабеля длиной около 2 метров. Экранирующая оплетка кабеля предназначена для защиты генератора импульсов от наводок и разрядов статического электричества. Длина кабеля выбрана такой, чтобы находиться на безопасном расстоянии на случай обрыва строп ионолета.